Принцип эквивалентности выдержал космическую проверку

Ключевой постулат общей теории относительности подтвердили на орбите: два предмета с разной массой действительно падают с одинаковым ускорением.

Спутник MICROSCOPE.

Спутник MICROSCOPE.

‹ ›

Физики всегда критически настроены по отношению к фундаментальным постулатам о том, как устроен мир. Они регулярно проверяют, нельзя ли выявить какие-то отклонения от прописных истин с помощью более продвинутых экспериментов. Эти отклонения позволяют уточнить или подтвердить существующие теории – как в случае опыта, который поставили на французском спутнике MICROSCOPE.

Если коротко, то физики проверяли «на прочность» принцип эквивалентности. Галилео Галилей сформулировал его около 400 лет назад (хотя упоминания о подобных экспериментах уходят ещё глубже в историю), а Альберт Эйнштейн его уточнил. Согласно принципу эквивалентности, гравитационная и инерционная масса любого объекта должны быть равны. Иными словами, если вы находитесь в комнате без окон, то вы не можете определить, находитесь ли вы на поверхности Земли или на борту космического корабля, движущегося с ускорением 1g. Конечно, такой умозрительный эксперимент работает только для достаточно маленькой комнаты, в которой можно пренебречь приливными силами других источников гравитации. Другое проявление этого принципа, на которое обратил внимание и Галилей, и физики до него, заключается в том, что вне зависимости от своей массы и плотности любое тело должно падать на землю с одинаковым ускорением (в вакууме птичье перо и железный шарик падают одинаково быстро). Так вот, эксперимент на орбите подтвердил принцип эквивалентности с точностью до 1/100 триллионной, то есть до 1/1014. Это на порядок лучше того, что получалось на поверхности Земли, когда сравнивали реакцию предметов с различным весом на вращение планеты. Однако окончательная цель эксперимента – улучшить точность более, чем на два порядка.

Собственно эксперимент выполняется с двумя небольшими (несколько сантиметров) концентрическими оболочками цилиндрической формы. Внешняя оболочка сделана из сплава титана с алюминием, а внутренняя – из более плотного сплава платины и родия. Пока спутник вращается вокруг Земли, цилиндры находятся друг в друге в состоянии свободного падения.

Электронные сенсоры отслеживают их положение и, если нужно, «подталкивают» цилиндры с помощью электричества, чтобы они сохраняли определенную взаимную ориентацию. Напряжение, которое прикладывается к каждому цилиндру, чтобы сохранить его положение, сигналит о том, как ведут себя цилиндры. Если один из них будет падать быстрее, то и напряжение для удержания его на месте должно увеличиться, что свидетельствовало бы о нарушении принципа эквивалентности.

На сегодняшний день Физики из Франции, Германии, Голландии и Великобритании, которые участвуют в данном эксперименте, не нашли отклонений от принципа эквивалентности, хотя спутник успел обогнуть Землю более 1500 раз. Иными словами, ключевой постулат общей теории относительности прошел проверку космосом: два предмета с разной массой действительно падают с одинаковым ускорением. Эксперимент должен завершиться в следующем году – к тому времени MICROSCOPE сделает еще около 900 пролетов орбиты, и таким образом точность эксперимента вырастет до одной квадриллионной (1015).

Несмотря на высокую точность измерений, исследователи хотят поднять чувствительность ещё выше на случай появления чего-то нового – как это часто бывает с фундаментальной наукой, «мы ничего не можем сказать точно, пока не достигнем намеченного результата». Следующий шаг здесь – повышение точности ещё на два порядка. Для этого итальянские физики предлагают запустить новый спутник с говорящим названием «Галилео Галилей». Он должен быстро вращаться вокруг своей оси, чтобы исключить погрешности от более медленных эффектов (гравитационного воздействия Луны, например). Исследователи из Стэнфордского университета предлагают идею другого спутника, точность измерения принципа эквивалентности в котором должна достигать 1/1018 за счёт криогенного снижения шумов в электронике – охлаждение системы до температуры жидкого азота должно «убить» тепловые эффекты почти полностью. Впрочем, сами физики признают, что хотя такие космические эксперименты весьма просты, деньги на них найти не так легко: скажем, на запуск MICROSCOPE и проведение эксперимента на нем потребовалось около 200 000 евро. С другой стороны, не будем забывать, что подобные исследования имеют и практическое значение: отработанные методы высокоточного контроля спутника и объектов на нём пригодятся при подготовке других космических миссий.

Автор: Аня Грушина

Источник: Наука и жизнь (nkj.ru)